Przetwornica active clamp forward z aktywnym zaciskiem jest uznaną topologią mocy o wysokiej sprawności, wykorzystującą tranzystor MOS z kanałem P. Dzięki sprzężeniu zwrotnemu w konstrukcji tej możliwe jest powtórne użycie energii zgromadzonej w cewce. W rezultacie wzrasta ogólna sprawność przetwornicy. Ale to nie jest koniec. Stosując obwód wtórny z układem samoprostującym opartym na tranzystorach MOSFET można jeszcze bardziej zwiększyć sprawność przetwornicy.

W artykule omówiono wyzwania projektowe związane z wtórnym obwodem prostownikowym. Podkreślona przy tym zostanie rola optymalizacji cyklu pracy (współczynnika wypełnienia przebiegu generowanego w przetwornicy). Należy zauważyć, że jest to tylko jeden z aspektów szerszej technologii zasilania zastosowanej w aktywnej przetwornicy clamp forward.

Wprowadzenie

W przetwornicy active clamp forward (ACFC) współczynnik wypełnienia generowanego przebiegu jest parametrem krytycznym dla napięcia wyjściowego i sprawności. Zazwyczaj maksymalne wypełnienie w takiej przetwornicy jest ograniczone do 50%. Technika active clamp pozwala na przekroczenie tej wartości. Istnieje wiele artykułów, które dokumentują związek między maksymalnym współczynnikiem wypełnienia a topologią ACFC. Niewiele z nich omawia natomiast metodę, jak powinien być zaprojektowany układ dla minimalnego współczynnika wypełnienia.

Jako przykład przedstawiono w artykule jeden izolowany zasilacz z przetwornicą ACFC. Jest to dobry przykład, wyjaśniający w jaki sposób minimalny współczynnik wypełnienia wpływa na projekt. Opisana przetwornica konwertuje napięcia 24 VAC lub 48 VDC na 60 VDC z wydajnością 1,5 A. Jej istotną cecha, jaką jest izolacji sprawia, że nadaje się do zasilania aplikacji przemysłowych w terenie. Topologia ACFC przyczynia się do osiągnięcia szczytowej sprawności dochodzącej do 91%. Wymagania projektowe przedstawiono w tab. 1.

Tab. 1. Wymagania projektowe

Układ MAX17598 firmy Analog Devices pracuje jako aktywny sterownik PWM w trybie prądowym, obejmujący wszystkie obwody sterujące niezbędne do zaprojektowania zasilacza z izolowaną przetwornicą active clamp forward. W dalszej części rozważymy wyniki oceny projektu wtórnego obwodu samoprostującego.

Rozważania projektowe dotyczące wtórnego obwodu samoprostującego

ACFC może zapewnić wyższą sprawność dzięki zastosowaniu układu samoprostującego. Na rys. 1 przedstawiono typowy schemat układu samoprostującego opartego na tranzystorach MOSFET. W porównaniu do tradycyjnego prostownika z diodą, rozwiązanie z MOSFET-em zapewnia niższą rezystancję włączenia. W rezultacie, rozwiązaniu z tranzystorami uzyskuje się wyższą sprawność, zwłaszcza w przypadku niskich napięć i dużego prądu wyjściowego.

Rysunek 1. Schemat wyjściowego układu samoprostującego1

Jest to jednak układ nieodpowiedni, gdy napięcie wyjściowe jest bliskie lub przekracza zakres pracy napięcia bramki MOSFET-a. Można więc zaprojektować dodatkowy układ do generowania napięcia sterującego bramką tranzystorów MOSFET. Na rys. 2. układ taki został przedstawiony. G1 i G2 są podłączone do pomocniczego uzwojenia transformatora.

Rys. 2. Układ sterujący bramką z pomocniczego uzwojenia transformatora

Bramka 1 jest połączona z bramką N2 (z rys. 1), a bramka 2 jest połączona z bramką N1. Bramka 1 i bramka 2 są zsynchronizowane z cyklem przełączania. Gdy bramka 1 jest w stanie wysokim, bramka 2 jest w stanie niskim i odwrotnie. Cały układ jest widoczny na rys. 3.

Rys. 3. Przykładowy schemat użyty w teście sprawności

Pętla ta musi zapewnić takie warunki, aby napięcie wyjściowe znajdowało się w zakresie roboczym V_GS tranzystora MOSFET. Równanie 1 przedstawia zależność między napięciem sterującym bramki a stosunkiem zwojów.

K_GATE to przekładnia transformatora. N_G to liczba zwojów transformatora. N_P to liczba zwojów uzwojenia pierwotnego transformatora. V_{GATE_MAX} to maksymalne napięcie sterujące bramką tranzystora MOSFET. V_{DC_MAX} to maksymalne napięcie wejściowe DC.

Gdy główny przełącznik w pętli pierwotnej jest włączony, napięcie przyłożone do transformatora jest dodatnie, czyli jest równe V_DC. Wyjście bramki 1 jest w stanie wysokim, a bramka 2 na potencjale masy. Jest to związane ze przekładnią transformatora i napięciem wejściowym DC.

Gdy główny tranzystor MOSFET jest wyłączony, obwód zaciskowy ograniczy napięcie drenu do V_CLAMP. Ponieważ napięcie V_CLAMP jest wyższe niż V_DC, wyjście Gate 1 jest na potencjale GND, a Gate 2 jest w stanie wysokim.

Napięcie zacisku można obliczyć z zależności:

Napięcie bramki 2 jest związane ze stosunkiem zwojów i odstępem między V_CLAMP i V_DCINPUT.

Ponieważ współczynnik wypełnienia zmienia się wraz z napięciem wejściowym, konieczne jest zapewnienie, aby napięcie sterujące bramki mogło sterować tranzystorem MOSFET w pełnym zakresie V_IN. Gdy zostanie zastosowane maksymalne napięcie wejściowe DC i minimalny współczynnik włączenia, napięcie sterujące bramki osiągnie wartość minimalną.

W projekcie przykładowym najniższe napięcie bramki 2 można obliczyć z zależności 5. Gdy napięcie wejściowe prądu stałego osiągnie wartość maksymalną, napięcie na bramce 2 wyniesie zaledwie 4,23 V.

Jeśli napięcie to jest niższe niż próg V_GS ON, tranzystor MOSFET wtórnego obwodu prostowniczego nie będzie działał prawidłowo. Może to prowadzić do sytuacji, w której zasilacza nie można uruchomić bez obciążenia, gdy napięcie wejściowe jest bliskie wartości maksymalnej. W układzie przykładowym napięcie progowe V_GS wynosi 3 V, czyli mniej niż obliczona minimalna wartość V_GATE2.

Na rys. 4. przedstawiono wynik pomiaru przykładowego układu. CH1 pokazuje napięcie bramki 1., CH2 pokazuje napięcie bramki 2., CH4 pokazuje napięcie źródło-dren N-MOS po stronie pierwotnej.

Rys. 4. Napięcie bramki 1 i bramki 2 oraz napięcie drenu tranzystora MOSFET (VIN = 60 V)

Wydajność układu przykładowego

Aby zweryfikować dokładność naszych obliczeń dla obwodu sterowania bramki, przeprowadziliśmy testy wydajności przykładowego układu. Na rys. 5 pokazano napięcie wejściowe i wyjściowe przy różnych prądach obciążenia 0 A, 0,5 A, 1 A i 1,5 A.

Rys. 5. Napięcie wejściowe i wyjściowe przy różnych obciążeniach

Na rys. 6 pokazano, jak zmienia się poziom napięcia wyjściowego przy różnym prądzie wyjściowym. Różne linie odpowiadają różnym napięciom wejściowym.

Rys. 6. Prąd wyjściowy i napięcie wyjściowe

Na rys. 7 pokazano szczytową sprawność przy różnych napięciach wejściowych i obciążeniach. Sprawność szczytowa osiągnęła 91% przy napięciu wejściowym 36 V i prądzie wyjściowym 1,5 A.

Rys. 7. Sprawność szczytowa

Na podstawie wykresu Bodego można określić stabilność pętli w warunkach szczytowej sprawności, czyli V_DCINPUT = 36 V, I_OUTPUT = 1,5 A.

Na rys. 8 przedstawiono częstotliwościową odpowiedź pętli.

Rys. 8. Wykres Bodego

Rysunki 9 i 10 przedstawiają wyjściowe napięcie międzyszczytowe. Na rys. 9 przedstawiono prąd bez obciążenia, a na rys. 10 widzimy stan przy pełnym obciążeniu.

Rys. 9. Wyjściowe napięcie międzyszczytowe bez obciążenia

Rys. 10. Wyjściowe napięcie międzyszczytowe przy pełnym obciążeniu 1,5 ANa rysunkach 11 i 12 została przedstawiona odpowiedź przejściowa obciążenia. Na rys. 11 widzimy zmianę obciążenia od zera do pełnego, a na rys. 12 zmianę obciążenia z pełnego do zerowego. CH1 mierzył napięcie wyjściowe (ze sprzężeniem AC), a CH2 mierzył prąd obciążenia wyjściowego.

Rys. 11. Odpowiedź przejściowa (od 0 A do 1,5 A)

Rys. 12. Odpowiedź przejściowa (1,5 A do 0 A)

WnioskiPodsumowując, badanie ACFC ujawniło istotne informacje na temat ich wydajności i sprawności. Badając projekt wtórnego obwodu prostowniczego i wpływ cyklu pracy, wykazano ograniczenia minimalnego współczynnika wypełnienia, gdy wymagany jest dodatkowy obwód sterowania bramki pomocniczej.

Co więcej, ACFC ze swoją unikatową zdolnością do recyklingu energii wyróżnia się jako obiecujące rozwiązanie dla wysokowydajnych systemów zasilania. Z artykułu wynika, że istnieje optymalny zakres współczynnika wypełnienia. Pokazuje on, że zarówno maksymalne, jak i minimalne wypełnienie jest ważne dla obwodów prostowniczych opartych na tranzystorach MOSFET.

Uwzględnienie wyników tego badania w projektowaniu i wdrażaniu układów ACFC może doprowadzić do uniknięcia problemów na etapie projektowania.

_____________________

1 “Designing Active-Clamp Forward Converters Using Peak-Current-Mode Controllers.” Analog Devices, Inc., August 2014.

Autor oryginału: GuangQi Hou

Tłumaczenie i redakcja Jarosław Doliński